[論文レビュー] Joint Grid Topology Reconfiguration and Design of Watt-VAR Curves for DERs

Manish K. Singh, Sina Taheri+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2019

Optimal Power Flow Distribution参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、IEEE 1547.8基準に準拠した配電網のトポロジー再構成、電圧調整器タップ設定、およびDER無効電力制御曲線を統合的に最適化する混合整数線形計画法（MILP）フレームワークを提案する。径路性を保証する新たな制約を導入し、レガシーな調整器とDERを現実的にモデル化することで、特に急激なネット負荷変動が生じる時期に、損失を最小限に抑えるために最適なトポロジーと制御設定が時間的に変化することを示している。

ABSTRACT

Operators can now remotely control switches and update the control settings for voltage regulators and distributed energy resources (DERs), thus unleashing the network reconfiguration opportunities to improve efficiency. Aligned to this direction, this work puts forth a comprehensive toolbox of optimization models leveraging the control capabilities of smart grid assets. We put forth detailed yet practical models to capture the operation of locally and remotely controlled regulators, and customize the watt-var DER control curves complying with the IEEE 1547.8 mandates. Maintaining radiality is a key requirement germane to various feeder optimization tasks. This requirement is accomplished here through an intuitive and provably correct formulation. The developed toolbox is put into action to reconfigure a grid for minimizing losses using real-world data on a benchmark feeder. The results corroborate that optimal topologies vary across the day and coordinating DERs and regulators is critical during periods of steep net load changes.

研究の動機と目的

• レガシーな電圧調整器と径路性制約を考慮した、トポロジー再構成とDER無効電力制御曲線の設計を統合的に最適化する包括的なフレームワークの開発を目的とする。
• 従来のDNRモデルが調整器を無視するか、固定タップ設定を仮定するというギャップを埋めるために、調整器の動作を動的にモデル化する。
• 電力潮流変数から径路性を分離する新規で直感的かつ証明可能に正しいMILP定式化により、再構成ネットワークにおける径路性を保証する。
• IEEE 37バス系統を用いた実世界の負荷および太陽光発電データを用いて、高いネット負荷変動が生じる時期におけるDERと調整器の連携の重要性を示す。
• 運用期間の長さ、シナリオサンプリング、および損失、電圧違反、制御行動頻度といったシステム性能とのトレードオフを評価する。

提案手法

• スイッチ状態、調整器タップ位置、およびDER無効電力制御曲線パラメータを同時に最適化する混合整数二次計画法（MIQP）を導入し、配電網再構成（DNR）を定式化する。
• バスに1つの親バス（スラックバスを除く）を割り当てることで、ループ除去を伴わずに接続性と木構造を保証する、新規なMILPモデルを提案し、径路性を強制する。
• 負荷および発電状態の変化に応じたタップ位置のダイナミクスと電圧調整挙動を捉える、局所制御型電圧調整器の詳細なモデルを開発する。
• IEEE 1547.8準拠の無効電力制御曲線をDERに組み込み、有効電力出力に応じて無効電力の注入・吸収を可能にし、最適化のための区分線形近似を用いる。
• バランスの取れた配電放射状線に適した計算スケーラビリティを確保しながらも精度を維持するため、線形化された三相潮流モデル（AC潮流近似）を採用する。
• 複数の時間期間にわたるシナリオベース最適化を実施し、各期間が異なる負荷および太陽光発電レベルを表すことで、時間変動するシステム状態を捉える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損失を最小限に抑えつつ径路性を維持するため、トポロジー再構成、DER無効電力制御曲線、電圧調整器タップ設定をどのように最適に連携できるか？
• RQ2 固定または既知のタップ設定を仮定するのではなく、動的に変化するタップを持つレガシー電圧調整器をモデル化することの、DNR解の最適性および実行可能性に与える影響は何か？
• RQ3 特に急激なネット負荷変動が生じる時期に、最適なトポロジーと制御設定は、1日を通じて異なる負荷・発電プロファイルに応じてどのように変化するか？
• RQ4 運用期間の長さと、合計損失、電圧違反、制御行動頻度といったシステム性能との間には、どのようなトレードオフがあるか？
• RQ5 DERを含む環境下において、提案された径路性制約定式化は、従来手法に比べて正しさと計算効率の点でどの程度優れているか？

主な発見

• 負荷および太陽光発電プロファイルの変化に伴い、最適な受電線路トポロジーが時間帯によって変化し、5つの時間インターバルにわたり3つの異なるトポロジーが最適と特定された。
• 高比率のPV発電と低負荷状態（例：期間𝒯₂）では、過電圧が迫る場合にのみDERが無効電力を吸収する（無効電力制御曲線が有効になるのは有効電力容量の80％を超えた場合に限る）。
• 高負荷かつ高発電状態（例：𝒯₃）では、最小限の無効電力吸収で済むため、無効電力制御曲線は最小吸収点付近に保たれる。
• 急激なネット負荷低下期（例：𝒯₄）には、低電圧を防ぐために高い調整器タップ設定（21）が必要となるが、ピークPV出力時には過電圧を避けるためにDERからの無効電力吸収が不可欠となる。
• 短い運用期間は制御行動頻度と通信オーバーヘッドを増加させるが、長い期間では極端な負荷・発電変動に起因する非可能性や損失増加のリスクが高まる、特に高変動性インターバルを統合する場合に顕著である。
• 各時間期間の最適化実行時間は50〜920秒の間で変動し、最も複雑なインスタンス（𝒯₄）では800秒を要したが、これはリアルタイムまたは経済的ディスpatch応用において計算的に実行可能であることを示している。